规避机动环境下无人直升机的主动控制及航迹优化问题研究

无人直升机的控制是一个极具挑战性的多学科交叉前沿研究课题，对我国的国防事业和国民经济建设都有重要的推动意义。本项目以军用无人直升机快速规避机动主动控制为背景，分析无人直升机在规避机动环境下的主要干扰源和不确定因素，考虑气流扰动和阵风干扰等，建立大部分参数可以直接测量的较为精确的低阶非线性飞行动力学模型。针对无人机在规避机动环境下广泛出现的状态约束、控制约束和输出约束，在滚动时域控制RHC框架中使用混合整数线性规划MILP方法实时预测优化航迹，基于滚动时域控制策略研究无人机的鲁棒约束主动控制及实时在线航迹优化算法。项目成果以无人直升机实际飞行进行验证，并可直接应用于需大范围机动飞行的其它民用项目，具有很好的推广价值。

无人直升机的控制是一个极具挑战性的多学科交叉前沿研究课题，对我国的国防事业和国民经济建设都有重要的推动意义。本项目主要研究了无人机处于复杂环境时的非线性模型，基于叶素理论的积分算法建立了无人直升机的非线性数学模型，进而基于小扰动理论在悬停点推导出线性化数学模型，用二阶系统描述各种不确定性和扰动作用下的界函数，最后基于H∞控制理论框架设计了鲁棒控制器。.针对无人直升机的结构特点，设计了基于内外环结构的非线性串联控制器，外环跟踪位移参考轨迹，内环稳定姿态角。在内环姿态角控制器设计过程中，直接利用了转换矩阵的一些结构特性。这种对内外环分别设计控制器的方法简化了控制系统设计过程，便于嵌入式系统的实现。证明了整个串联闭环控制系统的渐近稳定性，数值仿真的结果进一步表明了此类控制方法的可行性及有效性。.由于无人直升机飞行控制系统采用高性能数字控制器来实现，是一类典型的具有连续信号和离散信号的采样系统（Sampled data Systems），本项目针对此类系统，针对不确定采样控制系统的鲁棒保性能控制问题，首先将采样系统描述为跳变线性系统，基于矩阵凸组合思想构造了分段连续Lyapunov函数，进而在线性矩阵不等式框架内给出了不确定采样系统鲁棒稳定的条件。针对范数有界参数不确定采样系统，提出了鲁棒保性能控制器设计的在线算法, 在每个采样周期内通过求解一组线性矩阵不等式的可行解来构造出状态反馈增益矩阵。最后的仿真算例验证了所提设计方法的有效性。.无人直升机的姿态控制需要精确的加速度、速度和姿态角等信息，由于目前的小型无人直升机普遍采用低成本捷联惯性导航，低精度的惯性器件产生的误差往往不能忽略，为了在一定程度上减小误差的影响，我们采用四元素法建立无人直升机的导航方程，并基于扩展Kalman滤波理论研究了GPS/INS组合导航系统的滤波问题，数值仿真结果表明所提出方案可以达到工程设计精度。.项目组在研究无人直升机控制问题的基础上，考虑采用广义系统的描述方法尝试建立无人直升机模型，研究了广义时滞系统时滞依赖状态反馈H∞控制问题，并研究了在广义系统中广义Sylvester-conjugate 矩阵方程的闭合形式解的方法。.本项目研制了一系列稳定的无人机平台，研究成果可应用于需大范围机动飞行的其它民用项目，具有很好的推广价值，目前正用于海监、森林火灾检测、测绘等领域。